以印染废水为主的某城镇污水处理厂提标改造工程实例

韩 玉，杨淳轲，沈 超，郜 睿，周尚平，史惠祥,,*

(1.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 310012; 2.华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014；3.海宁市水务投资集团有限公司，浙江海宁 314403；4.嘉兴市洪溪污水处理厂，浙江嘉兴 314000)

印染业是一个高水耗、高污染的产业。据2015年环境统计公报，印染行业废水排放量约为18.4亿m3/a，占工业废水排放总量的10.1%，印染废水中主要污染物CODCr排放量为20.6万t，占工业废水排放量的8.1%。浙江省是全国印染行业废水排放量第一大省，据统计，该省印染布总量占全国的50%以上。嘉兴市是浙江省印染企业主要集聚地之一，印染是嘉兴市主要的工业污染源。

印染废水具有成分复杂、色度高、生物降解困难等特点，其处理一直是印染工业和污水处理行业需要克服的难题。目前，工程上多采用物化+生化+深度处理的组合工艺去除以印染废水为主的混合污水。张如锋等[1]通过“物化+生化+深度处理”组合工艺处理苏州某印染废水高占比污水处理厂的废水，出水CODCr质量浓度在38.4～40.8 mg/L。刘鲁建等[2]采用粉末活性炭来深度处理印染废水，中试研究发现，投加量为400～500 mg/L时，CODCr、色度、SS的去除率可达68%、92%、92%，出水水质满足《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB 4287—2012)。

嘉兴市某城镇污水处理厂原有处理规模为3.0万m3/d，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，主要接纳周围地区的生活污水和工业废水。其中，工业废水占比近90%，而印染废水占总废水量的比例超50%，是典型的印染废水高占比污水处理厂。2018年12月，浙江省人民政府发布地方标准《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)，对于新建及扩改污水处理厂的出水标准提出更严格的要求，出水氨氮和TP需执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类水标准[3]。污水处理厂现有处理效果不满足排放标准，故需进行提标改造。

1 改造前工程概况

嘉兴市某城镇污水处理厂于2003年建成投入使用，服务人口约为6.5万人，区域面积为75.43 km2，接纳的污水主要为服务范围内的园区工业废水和生活污水。该污水处理厂设计规模为3.0万m3/d，原有处理工艺为“粗格栅+细格栅+调节池+混凝反应池+初沉池+配水池+AO池+二沉池”，处理后的污水排入当地的红旗塘，产生污泥经过隔膜压滤机脱水后外运，尾水排放执行一级B标准。

1.1 原处理工艺水质水量分析

1.1.1 水量

2019年，嘉兴市该城镇污水处理厂实际进水量如图1和表1所示，进水量随季节变化不大(2月进水量较少，推测原因是假期纳管企业停工)，但远超设计进水量(3.0万m3/d)，系统长期超负荷运转，亟需改造。由表1可知，该城镇污水处理厂接收的废水量主要为工业废水，工业废水占比87.9%，工业废水又以印染废水为主，约占总废水量的55.2%，是典型以印染废水为主的城镇污水处理厂。

图1 2019年全年进水水量Fig.1 Annual Influent Quantity in 2019

表1 2019年园区各行业纳管水量及企业数量Tab.1 Water Consumption and Number of Enterprises in Various Industries of the Park in 2019

1.1.2 进出水水质

改造前该城镇污水处理厂实际年平均进出水水质如表2所示。

表2 提标改造前的年平均进出水水质Tab.2 Annual Average Influent and Effluent Quality before Upgrading and Reconstruction

由表2可知，该污水处理厂原出水水质各指标均达到GB 18918—2002中一级B标准，出水中CODCr、SS含量较高。本次提标改造工艺也重点考虑难生物降解有机物和SS的去除。

1.2 污水处理厂提标前问题

(1)污水处理厂的日污水处理量远高于原设计处理规模，长期处于满负荷或超负荷的状态。

(2)提标改造前城镇污水处理厂出水的CODCr、BOD5和SS的质量浓度分别为58.21、18.37 mg/L和17.21 mg/L，难生物降解有机物和SS含量高，出水中各指标均已达到GB 18918—2002中一级B标准，但达不到浙江省地方标准DB 33/2169—2018。

(3)园区接纳污水主要为印染废水，可生化性差，需要通过辅助工程去除溶解性的难生物降解有机物。

(4)加药系统落后。通过人工手动投药，过于依赖操作人员的经验，难以实现出水的稳定达标，存在药耗高、经济效益差、工人劳动强度大等一系列问题。

故本次提标改造工程针对难生物降解的混合污水，需重点解决废水中的SS、难生物降解CODCr的去除，扩大污水处理量，改善加药方式。

2 工艺比选

2.1 SS、难生物降解有机物的去除及工艺确定

目前该城镇污水处理厂SS和有机物的去除主要采用“格栅集水井+混凝反应池+AO”工艺，SS和CODCr的出水平均质量浓度分别为17.21、58.21 mg/L，未到达浙江省地方标准DB 33/2169—2018。剩余残留有机物主要是原污水携带的难降解有机物和微生物自身的内源代谢产物，针对这部分可生化性差的有机物，生物降解作用微弱，需采用针对性的深度处理工艺[4]。目前应用广泛且去除效果好的工艺有化学氧化和活性炭吸附等[5]。高级氧化法对CODCr、色度去除效果好，但加药量较大、污泥量大且处置困难。粉末活性炭作为一种良好的吸附剂，价格低廉、易获得、反应迅速，对CODCr、色度去除率较高[6]，可作为深度处理材料去除不易被微生物分解的污染物，从而达到排放要求。郑州马头岗污水处理厂采用升流式活性炭吸附池，活性炭粒径为2～5 mm，设计滤速约为6.7 m/h，空床停留时间约为60 min，出水CODCr质量浓度可达5.8 mg/L，优于设计要求[6]。周卿等[7]针对工业废水的生化处理出水不达标问题，采用活性炭深度处理，当停留时间为1 h，最大吸附容量为0.31 kg CODCr/kg时，可较好去除难降解有机物，使生化出水达标。鉴于该城镇污水处理厂的水质特点和活性炭技术使用灵活、工艺成熟等优点，选用活性炭吸附工艺处理尾水，建造活性炭吸附池去除SS和溶解性有机污染物。

2.2 细菌、病原体去除及工艺确定

消毒工艺可有效杀灭污水中有害病原体，我国最常用的消毒工艺为氯化物消毒，采用的氯化物主要有液氯、二氧化氯和次氯酸盐[8]。液氯消毒效果可靠、成本适中，但对现场安全管控要求较高，会产生消毒副产物，形成二次污染。二氧化氯的制取、使用复杂，后期维修保养花费大。次氯酸钠消毒效果好，有利于有机污染物的去除，还可以有效调节出水的pH，降低了出厂水水质不达标的风险，故本次提标改造采用次氯酸钠消毒。

2.3 加药方式的设计

加药系统一般可分为人工投加和自动投加两种方式，目前国内污水处理厂多是通过人工手动投药满足到出水水质要求。人工投加方式主要依赖操作人员的经验，难以实现出水的稳定达标，还存在药耗高、经济效益差、工人劳动强度大等一系列问题，采用自动投加的方式是大势所趋[8]。本次提标改造以粉末活性炭投加系统作为研究对象，分析确定了影响活性炭投药量的主要因素(流量、pH和原水CODCr)[8]，构建多元数控模型，智能化控制深度处理工艺中多种药剂投加量，结合多个控制单体和数学模型，构建系统数模，集成各单体主要传感器等设备，形成以BP神经网络预测为核心的粉末活性炭自动加药技术。

3 工艺流程

提标改造方案与工艺调整需符合经济适用、易于维护管理的要求，结合水质水量和改造要求，在不影响原污水厂的正常运行下，尽可能利用原有构筑物及原有设备，来解决该污水处理厂所存在的问题[9]。综合考虑该城镇污水处理厂处理工艺可行性、工程实施难度以及工程投资运行成本等因素，确定了本次改造工艺流程，新建西厂区，增加深度处理工艺“活性碳吸附+次氯酸钠消毒”，如图2所示。

图2 提标改造后污水处理工艺流程图Fig.2 Flow Chart of Wastewater Treatment Process after Upgrading and Reconstruction

污水经园区排水管网收集，汇流进入格栅集水井，去除尺寸较大的SS后进入调节池，中和、均化水质。调节池出水由泵提升进入混凝反应池，去除SS和部分溶解性有机物，经初沉池沉淀后上清水导入配水池，然后进入AO系统进行二级生物处理，后经二沉池出水，再通过提升泵房将东厂区的尾水导入西厂区。进入西厂区的尾水先通过粉末活性炭吸附进行深度处理，其中应用了以BP神经网络预测为核心的粉末活性炭自动加药系统进行智能化控制，使得活性炭吸附池的出水水质保持稳定。废水之后通过终沉池，沉淀污泥接至东厂区，上清液再排入滤池进一步去除水中SS和TP，反洗水接至东厂区，剩余废水则通过消毒池，经次氯酸钠消毒后达标排放。初沉池、二沉池和终沉池排出的污泥送入污泥浓缩池，通过隔板压滤机脱水生成干泥饼，部分回用至调节池，其余外运处置。

4 处理规模、主要新增构筑物及设备

本项目分为现有处理设施改造和新建深度处理设施两部分。在现有厂区内，对设施进行扩容改造，处理规模由现有的3.0万m3/d扩容改造至4.0万m3/d新建厂区内，新建深度处理实现4.0万m3/d废水提标。主要新增构筑物及设备如下。

(1)活性炭吸附池。1座，半地下钢砼结构，尺寸为36.5 m×15.0 m×5.5 m + 29.7 m×15.0 m×5.5 m，表面负荷为0.6 m3/(m2·h)，停留时间为2 h，粉末活性炭投加量为110 mg/L，10%的PAC投加量为350 mg/L。主要设备：折板式搅拌机12套，型号为JBG2500，功率为5.5 kW。

(2)终沉池。2座，半地下钢砼结构，尺寸为φ42.0 m×3.8 m，停留时间为2.5 h。主要设备：刮泥机2台，型号为ZBG42，功率为3.0 kW；污泥泵4台(2用2备)，流量Q=90 m3/h，高度H=25 m，功率为15 kW。

(3)转盘滤池。1座，半地下钢砼结构，尺寸为34.0 m×14.0 m×5.0 m，设计滤速为3.5 m/h，停留时间为1 h，反冲洗时间为2 h。主要设备：过滤系统2套，单套含有12个滤盘，滤盘直径d=3 m，过滤面积为453.6 m2，过滤网孔孔径≤10 μm，过滤类型为平面过滤；闸板闸门2台，型号为800 mm×800 mm；反冲洗管道系统1套，包含8个DN80反冲洗动力阀，4台反冲洗泵(Q=25 m3/h，H=32 m，功率为8 kW)。

(4)消毒计量排放井。1座，半地下钢砼结构，尺寸为10.0 m×6.0 m×3.0 m，停留时间为0.5 h。主要设备：次氯酸钠消毒系统一套，次氯酸钠(10%)投加量为20 mg/L；在线监测系统1套。排水系统1套。

(5)加药间。1座，地上框架结构，尺寸为21.0 m×15.0 m + 20.0 m×6.0 m。主要设备：活性炭智能投加系统2套，主要由WinCC7.0组态软件和德国西门子S7-200/S7-300PLC构成，投加能力为0～2 000 L/h，包含计量泵、变频器、可编辑逻辑控制器(PLC)管路和电控系统；PAC投加系统一套，投加能力为0～2 000 L/h，包含搅拌器、计量泵、管路和电控装置。

(6)综合用房。1座，地上框架结构，平面尺寸为42.0 m×20.0 m。

(7)仓库及维修间。1座，地上框架结构，平面尺寸为52.0 m×30.0 m。

(8)储药区块。1座，地上框架结构，平面尺寸为36.0 m×20.0 m。

5 运行效果

提标改造后，污水厂实际进水量在3.46～4.78万 m3/d，平均进水量为4.26万 m3/d，进出水水质监测结果如表3所示，出水的CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮和TP平均质量浓度为37.99、7.98、7.50、5.22、0.83 mg/L和0.10 mg/ L，污水处理厂处理效果明显提升，稳定满足排放标准。其中，活性碳吸附池CODCr日均质量浓度由进水76.4 mg/L降低到出水40.0 mg/L，处理效果显著。催化污泥浓缩池CODCr质量浓度为91.5 mg/L，故存在一定程度的脱附。原水类大肠菌群指数≥24 000个/L，处理后的水体中类大肠菌群指数日均值在670～790个/L。污泥产生量为29.10 t/d(回用9.84 t/d，外送处置18.26 t/d)，经鉴定污泥贮存满足《危险废物贮存污染控制标准》(GB 18597—2001)和《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB 18599—2001)。

表3 提标改造后平均进出水水质 (2020年8月—2021年4月)Tab.3 Average Influent and Effluent Quality after Upgrading and Reconstruction (August 2020 to April 2021)

工程建设投资约3 750万元，提标改造工程运行后吨水处理成本增加了0.34元，包含经营成本、固定成本折旧费及税费。其中，经营成本主要包括电费、药剂费、污泥处置费、人员工资及福利费、修理费和检测费等。与同类型案例相比较[9-11]，本次提标改造工程具有投资少、新增单位水量成本低的特点。

6 结论

(1)本项目建成1座以处理印染废水为主的万吨级城镇污水处理厂(规模为4.0×104m3/d)，总处理规模增加了1.0×104m3/d，采用“活性炭吸附+滤池+次氯酸钠消毒”对原工艺处理的混合污水尾水进行出水提标，充分利用原厂区进行工程改造，选择使用运行灵活、稳定以及费用低、投资小的污水处理工艺和设备，与原有处理设施衔接合理，确保污水处理厂长期稳定运行。

(2)新增工艺稳定运行后，水量一直在正常范围内波动，出水CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮和TP的排放平均值分别达到37.99、7.98、7.50、5.22、0.83 mg/L和 0.10 mg/L，出水水质稳定达到浙江省地标DB 33/2169—2018中的要求，处理效果明显提升。

(3)提标改造后，污水处理的吨水处理成本增加了0.34元。对于有迫切提标需要的印染工业园区，在经济上是可行的。